基于嵌入式Linux系统的键盘驱动设计
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摘要: 为了适应嵌入式设备外设的多样性,本文以特殊矩阵键盘为例,设计了一套完整的驱动控制模块。硬件电路设计采用外扩3片SN74HC164芯片的方式,节省了GPIO引脚的使用,大大提高了利用效率。同时,在此基础上引出了Linux内核中input子系统的特性和工作机制,呈现了较为完整的输入事件由内核空间传递到用户空间进程的过程。实验结果表明,设计的驱动模块具有良好的实时性和准确性。
&　敬请登录网站在线投稿　２０１３ 年第２ 期　　　２１ 　
基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的键盘驱动设计
徐德龙，余瑾
（北京邮电大学，北京１００８７６）
摘要：为了适应嵌入式设备外设的多样性，本文以特殊矩阵键盘为例，设计了一套完整的驱动控制模块。硬件电路设计
采用外扩３片ＳＮ７４ＨＣ１６４芯片的方式，节省了ＧＰＩＯ引脚的使用，大大提高了利用效率。同时，在此基础上引出了
Ｌｉｎｕｘ内核中ｉｎｐｕｔ子系统的特性和工作机制，呈现了较为完整的输入事件由内核空间传递到用户空间进程的过程。实
验结果表明，设计的驱动模块具有良好的实时性和准确性。
关键词：ＳＮ７４ＨＣ１６４；矩阵键盘；驱动控制模块；Ｌｉｎｕｘ内核；ｉｎｐｕｔ子系统
中图分类号：ＴＰ３９　　　　文献标识码：Ａ
Ｋｅｙｂｏａｒｄ　Ｄｒｉｖｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｌｉｎｕｘ
Ｘｕ　Ｄｅｌｏｎｇ，Ｙｕ　Ｊｉｎ
（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎ　１００８７６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｄａｐｔ　ｔｈｅ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ　ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔａｋｅｓ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｍａｔｒｉｘ　ｋｅｙｂｏａｒｄ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ａｎｄ　ａ
ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｅｔ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔａｋｅｓ　３ｅｘｐａｎｄｉｎｇ　ＳＮ７４ＨＣ１６４ｃｈｉｐｓ　ｔｏ　ｓａｖｅ　ｔｈｅ　ＧＰＩＯ　ｐｉｎｓ，
ａｎｄ　ｉｔ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｉｔ　ｌｅａｄｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｉｎｐｕｔ
ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｌｉｎｕｘ　ｋｅｒｎｅｌ，ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｉｎｐｕｔ　ｅｖｅｎｔｓ　ｆｒｏｍ　ｋｅｒｎｅｌ　ｓｐａｃｅ　ｔｏ　ｕｓｅｒ　ｓｐａｃｅ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＳＮ７４ＨＣ１６４；ｍａｔｒｉｘ　ｋｅｙｂｏａｒｄ；ｄｒｉｖｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｕｌｅ；Ｌｉｎｕｘ　ｋｅｒｎｅｌ；ｉｎｐｕｔ　ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ
随着微处理器技术的不断发展和数字化产品的普及，
嵌入式系统的研究开发逐渐成为热点，Ｌｉｎｕｘ也以其开
源、稳定、可裁剪的优势成为嵌入式操作系统的主流。在
众多的嵌入式系统中，键盘成为一种应用最为广泛的输入
设备。然而，嵌入式设备的功能差异性又决定了为其提供
一种通用性键盘是不可行的，往往需要根据系统的实际功
能设计所需的特殊键盘，并实现相应的驱动程序。
Ｓ３Ｃ６４１０是三星公司高性能的３２位ＲＩＳＣ微处理器，
内部集成了多种强大的硬件加速器，适合进行视频和图像
处理，成为了目前嵌入式处理器领域的主流产品。本文以
在Ｓ３Ｃ６４１０微处理器基础上实现一个２４键矩阵键盘为
例，呈现了在嵌入式系统中开发设备驱动程序的整体流
程，并对Ｌｉｎｕｘ系统下输入事件的底层传递机制进行了研
究和分析。
１　接口电路的设计
在嵌入式设备上扩展键盘的常用方式是通过对ＣＰＵ
的ＧＰＩＯ端口进行扫描实现的，显然这种方式在键盘按键
数目较多的情况下，会占用过多的ＧＰＩＯ 资源，增加了
ＧＰＩＯ端口资源较为紧张的嵌入式处理器的负担。
本系统的硬件设计通过增加３片ＳＮ７４ＨＣ１６４芯片
来达到节约ＧＰＩＯ资源的目的。ＳＮ７４ＨＣ１６４是一种８位
的串行输入、并行输出移位寄存器，它的内部由８个Ｄ触
发器串联而成。每当时钟信号由低电平变为高电平时，两
个输入端将当前输入信号传送到并行输出端，并实现移位
操作。系统硬件原理图如图１所示。
３个ＳＮ７４ＨＣ１６４芯片串联后，将它们的ＣＬＫ引脚接
到Ｓ３Ｃ６４１０开发板的ＧＰＥ４端口上。第一个ＳＮ７４ＨＣ１６４
芯片的Ａ、Ｂ输入引脚共同接到开发板的ＧＰＥ３端口上，
并且将这两个ＧＰＩＯ端口配置成输出模式。ＧＰＥ２端口与
键盘按键的上拉端连接，系统运行时在中断模式和输入模
式之间切换，以达到触发中断和对键盘扫描的目的。这样
我们就借助于３个ＳＮ７４ＨＣ１６４移位寄存器，只占用３个
ＧＰＩＯ端口，给扫描键盘的２４个按键提供输入信号，既节
约了成本，又避免了ＧＰＩＯ资源的浪费。
２２ 　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　　２０１３ 年第２ 期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ　
图１　硬件原理图
２　扫描工作原理
扩展硬件电路的同时给键盘驱动程序的实现带来了
一定的麻烦，驱动程序首先要将ＳＮ７４ＨＣ１６４驱动起来，
然后才能对电路进行控制。该电路的输出引脚被接到
Ｓ３Ｃ６４１０的ＧＰＥ２端口上，并且这个端口被配置成中断
源，无键按下时直接读为高电位。键盘扫描时通过
ＳＮ７４ＨＣ１６４芯片先将键盘的２４个键置低电平，任何一个
键被按下，ＧＰＥ２端口就会有从高电平到低电平的跳变，
从而触发一次中断。
在中断处理过程中，将ＧＰＥ２端口置为输入状态。然
后根据ＳＮ７４ＨＣ１６４芯片的输入／输出特性，给串联的３
个ＳＮ７４ＨＣ１６４芯片发送２４个高电平信号，使得键盘的
各键位均为高电平。在随后的２４ 个时钟脉冲下，给
ＳＮ７４ＨＣ１６４芯片送入１个０和２３个１，使得０在每个键
位的输入端都只出现一次，同时在ＧＰＥ２端口进行扫描。
当被按下键处于０输入状态时，其所在行就会读到一个低
电平，也就可以确定出键盘上哪个键被按下了。
３　驱动模块结构
在Ｌｉｎｕｘ２．６的版本中新加入了ｉｎｐｕｔ子系统，给驱动
编写者提供了一个完整的输入事件———从底层设备传递
到用户进程的模型。本文基于ｉｎｐｕｔ子系统架构，设计了
一个较为完善的特殊键盘驱动模块。键盘驱动模块结构
如图２所示。
图２　键盘驱动模块结构
在ｉｎｐｕｔ子系统的设备内核模型中，最重要的数据结
构体是ｓｔｒｕｃｔ　ｉｎｐｕｔ＿ｄｅｖ，作为驱动的主体，每个ｓｔｒｕｃｔ
ｉｎｐｕｔ＿ｄｅｖ代表一个输入设备。该结构体中既包含了设备
所能响应的输入事件类型、响应按键种类、键盘码表，以及
坐标范围等字段，同时还包含了设备打开、关闭以及回调
函数等字段，能够完整地记录和标识整个设备的功能与行
为。在向内核注册ｉｎｐｕｔ＿ｄｅｖ之前，需要进行ｉｎｐｕｔ＿ｄｅｖ结
构的初始化，同时向内核申请键盘中断。
首先设置输入设备的功能，ｉｎｐｕｔ＿ｓｅｔ＿ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ
（＆ｓｉｍ＿ｋｅｙ，ＥＶ＿ＫＥＹ，ＫＥＹ＿Ａ）函数完成键盘Ａ键的输
入使能，类似可完成Ｂ～Ｘ共２４个按键的输入使能。然
后设置键盘的码表。该键盘包含２０个按键，码表可表示
为：ｓｔａｔｉｃ　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｓｉｍ＿ｋｅｙｃｏｄｅ［２４］＝｛ＫＥＹ＿Ａ，
ＫＥＹ＿Ｂ，ＫＥＹ＿Ｃ，ＫＥＹ＿Ｄ，ＫＥＹ＿Ｅ，ＫＥＹ＿Ｆ，ＫＥＹ＿Ｇ，
ＫＥＹ＿Ｈ，ＫＥＹ＿Ｉ，ＫＥＹ＿Ｊ，ＫＥＹ＿Ｋ，ＫＥＹ＿Ｌ，ＫＥＹ＿Ｍ，
ＫＥＹ＿Ｎ，ＫＥＹ＿Ｏ，ＫＥＹ＿Ｐ，ＫＥＹ＿Ｑ，ＫＥＹ＿Ｒ，ＫＥＹ＿Ｓ，
ＫＥＹ＿Ｔ，ＫＥＹ＿Ｕ，ＫＥＹ＿Ｖ，ＫＥＹ＿Ｗ，ＫＥＹ＿Ｘ｝。当相应
键按下时，码表中的键值将被作为键盘码上报到用户空间
的进程。初始化工作完成之后，调用函数ｉｎｐｕｔ＿ｒｅｇｉｓｔｅｒ＿
ｄｅｖｉｃｅ（＆ｓｉｍ＿ｋｂ）向内核注册输入设备。
由于键盘设备的输入是异步的，可能会在任何时间得
到按键事件，所以需向内核申请中断以保证对键盘输入的
实时响应。中断函数完成键盘的扫描操作，并上报输入事
件到用户进程，是整个驱动模块的功能主体。然而使用中
断会遇到一个问题，在键盘的扫描过程中，按键的每次按
下和抬起都会有１０～２０ｍｓ的毛刺抖动存在，会将用户的
一次按键操作误当作几次按键来处理。所以为了获取稳
定的按键信息，必须要想办法去掉这种抖动。去毛刺的一
种常见的方法是在注册输入设备时定义一个定时器ｔｉｍｅｒ，
当触发中断时先关闭Ｉ／Ｏ中断，然后启动定时器，等跳过
毛刺抖动以后再去调用扫描程序得到键值，并重新打开中
断。按键事件被发送到ｉｎｐｕｔ子系统核心后通知给用户
进程，从而实现查键过程。
４　基于ｉｎｐｕｔ子系统的事件传递机制
实现底层驱动程序与用户进程通信的最主要的函数
　敬请登录网站在线投稿　２０１３ 年第２ 期　　　２３ 　
是ｉｎｐｕｔ＿ｅｖｅｎｔ（ｓｔｒｕｃｔ　ｉｎｐｕｔ＿ｄｅｖ＊ｄｅｖ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｔ　ｔｙｐｅ，
ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｔ　ｃｏｄｅ，ｉｎｔ　ｖａｌｕｅ），也是ｉｎｐｕｔ输入子系统的核
心，其实现机制如下。
Ｌｉｎｕｘ系统在启动过程中会向系统核心注册ｉｎｐｕｔ＿
ｈａｎｄｌｅｒ，一般将其称为ｈａｎｄｌｅｒ处理器，表示对输入事件
的具体处理，ｉｎｐｕｔ＿ｈａｎｄｌｅｒ为输入设备的功能实现了一个
接口。在执行ｉｎｐｕｔ＿ｒｅｇｉｓｔｅｒ＿ｄｅｖｉｃｅ注册输入设备的时
候，会自动将ｉｎｐｕｔ＿ｄｅｖ结构与系统中已注册的ｉｎｐｕｔ＿
ｈａｎｄｌｅｒ进行遍历匹配。与对应的ｉｎｐｕｔ＿ｈａｎｄｌｅｒ成功匹配
后，Ｌｉｎｕｘ内核自动创建ｅｖｄｅｖ结构体来表示输入事件设
备，该结构中包含了ｉｎｐｕｔ＿ｈａｎｄｌｅ等字段，作为连接ｉｎｐｕｔ
＿ｄｅｖ与ｉｎｐｕｔ＿ｈａｎｄｌｅｒ的媒介。其中Ｌｉｎｕｘ内核中与键盘
设备匹配的ｉｎｐｕｔ＿ｈａｎｄｌｅｒ代码为：
ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｕｃｔ　ｉｎｐｕｔ＿ｈａｎｄｌｅｒ　ｅｖｄｅｖ＿ｈａｎｄｌｅｒ＝｛
．ｅｖｅｎｔ＝ｅｖｄｅｖ＿ｅｖｅｎｔ，
．ｃｏｎｎｅｃｔ＝ｅｖｄｅｖ＿ｃｏｎｎｅｃｔ，
．ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ＝ｅｖｄｅｖ＿ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ，
．ｆｏｐｓ＝＆ｅｖｄｅｖ＿ｆｏｐｓ，
．ｍｉｎｏｒ＝ＥＶＤＥＶ＿ＭＩＮＯＲ＿ＢＡＳＥ，
．ｎａｍｅ＝"ｅｖｄｅｖ"，
．ｉｄ＿ｔａｂｌｅ＝ｅｖｄｅｖ＿ｉｄｓ，
ｅｖｄｅｖ＿ｅｖｅｎｔ函数为事件处理函数，输入设备所上报
的事件通过ｅｖｄｅｖ＿ｈａｎｄｌｅｒ中的ｅｖｄｅｖ＿ｅｖｅｎｔ函数包装成
ｉｎｐｕｔ＿ｅｖｅｎｔ标准输入格式，并存放在ｅｖｄｅｖ下的ｅｖｄｅｖ＿
ｌｉｓｔ缓冲区中，该结构代码如下：
ｓｔｒｕｃｔ　ｉｎｐｕｔ＿ｅｖｅｎｔ｛
ｓｔｒｕｃｔ　ｔｉｍｅｖａｌ　ｔｉｍｅ；　／／事件发生的时间
＿＿ｕ１６ｔｙｐｅ； ／／事件类型
＿＿ｕ１６ｃｏｄｅ； ／／子事件
＿＿ｓ３２ｖａｌｕｅ； ／／事件发生的相关值
用户进程读取键盘事件时即会按照此种特定格式进
行。值得注意的是，当读取事件为鼠标输入时，需要先后
读取Ｘ轴坐标和Ｙ轴坐标两种数据，以完成完整的读取
在Ｌｉｎｕｘ系统中，所有的外设都是通过虚拟文件系统
向应用程序提供接口，所以每个具有独立功能的外设在
Ｌｉｎｕｘ系统中都对应着相应的设备文件。同时，在内核中
代表设备文件的结构体包含了实现该设备功能的特定操
完成驱动模块的安装之后，Ｌｉｎｕｘ系统会在／ｄｅｖ目录
下自动创建输入事件设备文件，本文中该设备名为
ｅｖｅｎｔ０。用户进程打开对应的输入事件设备文件ｅｖｅｎｔ０，
即可执行相应的文件操作，如ｒｅａｄ、ｉｏｃｔｌ等。文件操作函
数最终要进入内核，并调用存储在事件设备结构体中的
ｅｖｄｅｖ＿ｈａｎｄｌｅｒ．ｅｖｄｅｖ＿ｆｏｐｓ操作函数集完成对应的文件
ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｕｃｔ　ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｅｖｄｅｖ＿ｆｏｐｓ＝ ｛
．ｏｗｎｅｒ＝ＴＨＩＳ＿ＭＯＤＵＬＥ，
．ｒｅａｄ＝ｅｖｄｅｖ＿ｒｅａｄ，
．ｗｒｉｔｅ＝ｅｖｄｅｖ＿ｗｒｉｔｅ，
．ｐｏｌｌ＝ｅｖｄｅｖ＿ｐｏｌｌ，
．ｏｐｅｎ＝ｅｖｄｅｖ＿ｏｐｅｎ，
．ｒｅｌｅａｓｅ＝ｅｖｄｅｖ＿ｒｅｌｅａｓｅ，
．ｕｎｌｏｃｋｅｄ＿ｉｏｃｔｌ＝ｅｖｄｅｖ＿ｉｏｃｔｌ，
．ｃｏｍｐａｔ＿ｉｏｃｔｌ＝ｅｖｄｅｖ＿ｉｏｃｔｌ＿ｃｏｍｐａｔ，
．ｆａｓｙｎｃ＝ｅｖｄｅｖ＿ｆａｓｙｎｃ，
．ｆｌｕｓｈ＝ｅｖｄｅｖ＿ｆｌｕｓｈ
例如用户进程在执行ｒｅａｄ操作时，会调用内核中
ｅｖｄｅｖ＿ｆｏｐｓ－＞ｅｖｄｅｖ＿ｒｅａｄ函数，先判断当前输入事件设
备缓冲区中是否有待读取的ｉｎｐｕｔ＿ｅｖｅｎｔ事件。若缓冲区
中无按键事件，进程则放入等待队列进行睡眠，直到有按
键事件产生并保存到缓冲区后，将睡眠进程唤醒，调用
ｃｏｐｙ＿ｔｏ＿ｕｓｅｒ复制函数完成输入事件从内核空间到用户
空间的拷贝，从而实现读取操作。
通过以上分析可以得出，键盘设备所产生的输入事件
以ｉｎｐｕｔ子系统为传递介质，并通过虚拟文件系统接口得
以通知用户进程。本文从键盘的驱动开发出发，呈现了较
为完整的输入事件由内核空间传递到用户空间进程的过
程，对于驱动开发者了解底层驱动的机制和更加有效地设
计驱动模块有着较为重要的意义。经过测试，该键盘具有
良好的响应特性，并实现了所预期的功能。
［１］吴金华，李驹光．基于ＡＲＭ９的多行列键盘设计及其驱动实
现［Ｊ］．微计算机信息，２００８，２４（２）：１２３　１２６．
［２］何永琪．嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统实用开发［Ｍ］．北京：电子工业出
版社，２０１０．
［３］阴晓峰，葛安林．Ｌｉｎｕｘ环境下设备驱动模型及开发技术
［Ｊ］．计算机工程与应用，２００９，３８（８）：１０４　１０９．
［４］倪继利．Ｌｉｎｕｘ内核分析及编程［Ｍ］．北京：电子工业出版
社，２００７．
［５］Ｒｏｂｅｒｔ　Ｌｏｖｅ．Ｌｉｎｕｘ　Ｋｅｒｎｅｌ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｍ］．北京：机械工
业出版社，２００６．
（责任编辑：杨迪娜　收稿日期：２０１２－１０－２３）】优领域
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3秒自动关闭窗口74HC164 SN74HC164
测试座 编程座
（点击图片看大图）
技术资料——
SN74HC164 概述
74HC164 8位移位寄存器特有与门控串行输入和一个异步的清零（CLR）输入。该门控串行（A和B）输入可完全控制输入数据；在任一端输入低电平，可以阻止新数据输入，并在下个时钟（CLK）脉冲把首个触发器复位为低电平。而在任一端输入高电平则会使能另一端，使另一端决定首个触发器的状态。74HC164的CLK处于高电平或低电平状态时，串行输入上的数据可以更改，但只有建立时间满足最小需求的信息才会被输入。74HC164计时发生在CLK的上升沿。
SN74HC164 参数
74HC164 主要参数
2.0～6.0 V
最大传输延迟
74HC164 其他特性
74HC164 封装与引脚
PDIP14, SOIC14, SOP14, TSSOP14
SN74HC164 特性
宽工作电压范围：2.0～6.0 V
输出驱动能力高达10个LSTTL负载
低功耗，最大ICC 80μA
典型tpd = 20 ns
5 V下驱动电流为±4 mA
低输入电流，最大1μA
与门控（使能/禁用）串行输入
全缓冲时钟和串行输入供应 SN74HC164D 原装进口NXP 八位串行入/并列输出移位寄存器
最近被加入的企业
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品牌/型号：NXP/74HC164D类型：逻辑IC品牌：NXP型号：74HC164D功率：标准针脚数：SOP-14用途：仪器封装：SOP-14
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